吳 林，張 鏝，史建華

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1 背景

在超導(dǎo)成像系統(tǒng)序列掃描時(shí)需要對(duì)被試的檢查體位進(jìn)行定位，空間定位通過(guò)在主磁場(chǎng)疊加三軸方向上的梯度場(chǎng)實(shí)現(xiàn)[1]。施加在主磁場(chǎng)上的梯度場(chǎng)是通過(guò)梯度線圈電流產(chǎn)生的，而電流在三軸方向的梯度線圈里快速切換會(huì)產(chǎn)生的變化梯度場(chǎng)，使得周邊空間產(chǎn)生渦流效應(yīng)[2]。渦流效應(yīng)曲線以逼近多組時(shí)間參數(shù)擬合的 e 指數(shù)曲線衰減，使得梯度信號(hào)發(fā)生畸變，導(dǎo)致超導(dǎo)系統(tǒng)成像圖像扭曲[3]，還會(huì)產(chǎn)生偽影，渦流效應(yīng)限制了超導(dǎo)系統(tǒng)序列掃描速度的提升。因此，對(duì)超導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的渦流進(jìn)行檢測(cè)和去渦流效應(yīng)補(bǔ)償是非常必要的。

商業(yè)超導(dǎo)成像系統(tǒng)對(duì)渦流補(bǔ)償常采用屏蔽線圈和梯度預(yù)加重兩種方式。屏蔽線圈方法能抑制渦流的產(chǎn)生，但是該方法需要對(duì)原有梯度線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)。常用的梯度預(yù)加重方法通過(guò)設(shè)置去渦流補(bǔ)償預(yù)值，運(yùn)行過(guò)程中迭代微調(diào)補(bǔ)償參數(shù)來(lái)逼近補(bǔ)償目標(biāo)值，但該方法補(bǔ)償時(shí)間較長(zhǎng)。文獻(xiàn)[4]提出利用傳統(tǒng)繞制線圈進(jìn)行渦流信號(hào)的采集,可快速獲取渦流補(bǔ)償參數(shù)，但傳統(tǒng)繞制線圈體積粗大且精度差，嚴(yán)重影響檢測(cè)到的渦流信號(hào)的準(zhǔn)確度，補(bǔ)償效果欠佳。在總結(jié)超導(dǎo)磁共振領(lǐng)域渦流檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于PCB設(shè)計(jì)的電感線圈來(lái)測(cè)量渦流和去渦流補(bǔ)償?shù)姆椒?，該方法先利用電感線圈測(cè)量出實(shí)際梯度信號(hào)，如圖1所示，將實(shí)測(cè)梯度信號(hào)減去目標(biāo)理想梯度信號(hào)得到渦流曲線，再將該渦流曲線補(bǔ)償?shù)侥繕?biāo)理想梯度信號(hào)上，預(yù)加重梯度信號(hào)再次施加到梯度線圈上，經(jīng)過(guò)渦流的平滑效應(yīng)后就接近目標(biāo)理想梯度信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的渦流檢測(cè)和去渦流補(bǔ)償裝置除了電感線圈，還包括梯度信號(hào)發(fā)生器和梯度信號(hào)采集單元，梯度信號(hào)發(fā)生器由National Instruments公司NI-5741和NI PXIe-7972板卡構(gòu)成，梯度信號(hào)采集單元由NI PXIe-7972和NI-5783構(gòu)成。

圖1渦流效應(yīng)與去渦流補(bǔ)償

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

在超導(dǎo)系統(tǒng)三軸梯度方向(X、 Y、 Z)各放置一對(duì)對(duì)稱的電感線圈，每個(gè)方向?qū)ΨQ放置的線圈感應(yīng)到的信號(hào)通過(guò)差分電纜傳輸至梯度信號(hào)采集單元，該信號(hào)是變化梯度場(chǎng)的微分信號(hào)，對(duì)檢測(cè)到的微分信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，即為實(shí)測(cè)梯度信號(hào)，最后將積分得到的信號(hào)減去設(shè)計(jì)的理想梯度信號(hào)，即為實(shí)測(cè)渦流強(qiáng)度。

3 電感線圈設(shè)計(jì)

檢測(cè)實(shí)際梯度場(chǎng)強(qiáng)度G(t)的裝置由電感線圈裝置、接收板卡、數(shù)字域積分器三部分構(gòu)成，電感線圈裝置由電感線圈和結(jié)構(gòu)工裝組成。3個(gè)方向?qū)ΨQ放置的一組線圈感應(yīng)到的信號(hào)為差分形式的信號(hào)，梯度磁場(chǎng)變化時(shí)檢測(cè)線圈能產(chǎn)生的最大感應(yīng)電壓Δuimax可用公式(1)表達(dá)。

(1)

其中，線圈匝數(shù)為n、面積為S，在梯度同一軸向?qū)ΨQ位置的一對(duì)線圈距離為Δr，在變化梯度場(chǎng)中對(duì)稱放置的一對(duì)線圈間的差分電壓為Δui(t)，trise為梯度功放能達(dá)到的最短梯度爬升或下降時(shí)間，Gmax為梯度場(chǎng)強(qiáng)極值，因此可根據(jù)給定Δuimax、Gmax和trise，由式(1)推出電感線圈主要設(shè)計(jì)參數(shù)(n、S、Δr)。本超導(dǎo)系統(tǒng)配置的梯度放大器型號(hào)為C781，梯度線圈型號(hào)為MFC16。這套梯度裝置電流轉(zhuǎn)化率為70A/V，最大梯度切換率為35.1 mT/m。當(dāng)超導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，極限梯度切換時(shí)間trise最小為115 μs，將感應(yīng)電壓最大值Δuimax設(shè)置為10 V，由式(1)可推導(dǎo)得到式(2)。

-nSΔr≈33 000 cm3=55×2×20 cm2×15 cm.

(2)

其中，55表示每層線圈匝數(shù)n;2表示將一個(gè)4層層疊PCB正反表面用于繞制線圈;20 cm2為每匝線圈的平均面積S;15 cm是對(duì)稱電感線圈的距離Δr。表層線圈參數(shù)如圖2所示，dx為線寬，din為正方形線圈內(nèi)徑，rh為層間距，rx為線間距，D為線圈外徑，h為單層層厚。

圖2 設(shè)計(jì)的檢測(cè)線圈示意圖

4 渦流檢測(cè)工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在超導(dǎo)磁體腔內(nèi)物理中心位置就是磁場(chǎng)中心位置，該處梯度場(chǎng)強(qiáng)度為零，在放置渦流檢測(cè)裝置時(shí)，應(yīng)使感應(yīng)線圈平面與主磁場(chǎng)方向垂直，使得主磁場(chǎng)磁力線方向垂直于感應(yīng)線圈平面，如圖3所示。梯度線圈在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，三個(gè)梯度軸向的感應(yīng)線圈需要保持穩(wěn)定和平衡，由于掃描床和磁體腔是分離的，因此梯度線圈的振動(dòng)就不會(huì)傳導(dǎo)至床板的測(cè)試工裝。

圖3 渦流檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

時(shí)間取離散量t=n·Ts，其中n=0,1,2,3...,Ts為采樣間隔，根據(jù)梯度渦流L-R電路模型，渦流曲線可由式(3)表達(dá)。

(3)

6 結(jié)果與討論

圖4 X軸梯度預(yù)加重實(shí)測(cè)梯度與目標(biāo)理想波形

通過(guò)所有梯度方向渦流檢測(cè)和補(bǔ)償，得到包含X、Y、Z三軸自身項(xiàng)和交叉項(xiàng)渦流補(bǔ)償?shù)膮?shù)組合，如表1所示。

表1 三軸梯度自身項(xiàng)和交叉項(xiàng)的渦流時(shí)間參數(shù)和幅值參數(shù)

由表1可知，X、Y、Z自身項(xiàng)的梯度場(chǎng)皆受到渦流效應(yīng)影響，X方向梯度和Z方向梯度不受來(lái)自Y方向的交叉項(xiàng)梯度影響，只有Y方向梯度受到來(lái)自X方向梯度、Z方向梯度的交叉項(xiàng)渦流影響，說(shuō)明梯度渦流檢測(cè)裝置放置時(shí)，X向和Z向的平面線圈位置校準(zhǔn)較好，Y軸對(duì)稱放置的一對(duì)平面線圈位置還需要進(jìn)一步校準(zhǔn)和優(yōu)化。

綜合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，利用PCB制作平面電感線圈來(lái)檢測(cè)超導(dǎo)磁共振系統(tǒng)渦流的方案是可行的，得到的渦流補(bǔ)償參數(shù)能有效地減弱渦流影響。由于本文實(shí)驗(yàn)條件限制，實(shí)驗(yàn)的中間步驟需手動(dòng)調(diào)整參數(shù)，其次是檢測(cè)到的渦流信號(hào)受到超導(dǎo)系統(tǒng)空間其他場(chǎng)的干擾，在一定程度會(huì)影響渦流檢測(cè)的準(zhǔn)確度，因此后續(xù)研究工作還需要針對(duì)這兩方面問(wèn)題展開(kāi)研究和完善實(shí)驗(yàn)方案。